2022-2022学年高中物理19.7-17.8核聚变粒子和宇宙课时提升训练含解析新人教版选修3-5.doc

19.7-17.8核聚变 粒子和宇宙
1.(多项选择)以下关于聚变的说法中,正确的选项是　(　　)
A.要使聚变产生,必须克服库仑斥力做功
B.轻核聚变需要几百万度的高温,因此轻核聚变又叫做热核反响
C.原子弹爆炸能产生几百万度的高温,所以氢弹利用原子弹引发热核反响
D.只有太阳内部进行着剧烈的热核反响
【解析】选A、B、C。轻核聚变时,要使轻核之间距离到达10-15m,故必须克服库仑斥力做功,A正确;要克服核子间作用力做功,必须有足够大的动能,方法就是将其加热到几百万度的高温,B正确;热核反响必须在几百万度的高温下进行,这样高的温度可利用原子弹爆炸释放的能量获得,C正确;在太阳和许多恒星内部都存在热核反响,D错误。
2.重核的裂变和轻核的聚变是人类利用核能的两种主要方法,下面关于它们的说法中正确的选项是　(　　)
A.裂变和聚变过程都有质量亏损
B.裂变过程有质量亏损,聚变过程质量有所增加
C.裂变过程质量有所增加,聚变过程有质量亏损
D.裂变和聚变过程质量都有所增加
【解析】选A。重核裂变和轻核聚变都会放出能量;根据质能互换可知,它们都有质量亏损,故A正确,B、C、D错误。
3.(2022·珠江高二检测)现有三个核反响方程:
NaMge　 HHHen
以下说法正确的选项是　(　　)
A.①是裂变,②是β衰变,③是聚变
B.①是聚变,②是裂变,③是β衰变
C.①是β衰变,②是裂变,③是聚变
D.①是β衰变,②是聚变,③是裂变
【解析】选C。裂变是重核变为中等质量的核,②是;衰变有α衰变和β衰变,α衰变的结果是释放氦核,β衰变的结果是从原子中释放电子,①是;聚变是质量较小的核结合成质量较大的核,③是。综上所述C正确。
4.(多项选择)(2022·德州高二检测)以下关于夸克模型的说法正确的选项是　(　　)
A.强子是由更根本的夸克组成的
B.夸克的电荷量分别为元电荷的+或-
C.每种夸克都有对应的反夸克
D.夸克能以自由的状态单个出现
【解析】选A、B、C。夸克不能以自由的状态单个出现,D错误,A、B、C正确。
5.太阳因核聚变释放出巨大的能量,同时其质量不断减少。太阳每秒钟辐射出的能量约为4×1026J,根据爱因斯坦质能方程,太阳每秒钟减少的质量最接近　
(　　)
A.1036kg　　　 B.1018kg　　 　C.1013kg　　 　D.109kg
【解析】选D。根据爱因斯坦质能方程ΔE=Δmc2,得Δm==kg=4.4×109kg。
6.(多项选择)月球土壤里大量存在着一种叫做“氦3He)〞的化学元素,是热核聚变的重要原料。科学家初步估计月球上至少有100万吨氦3,如果相关技术研究成功,将为地球带来取之不尽的能源。关于氦3与氘核聚变,以下说法中正确的选项是　
(　　)
A.核反响方程为HeHHeH
B.核反响生成物的质量将大于参加反响物质的质量
C.氦3He)一个核子的结合能大于氦4He)一个核子的结合能
D.氦3He)与氘核发生聚变反响将放出能量
【解析】选A、D。氦3He)与氘核聚变的核反响方程符合质量数与电荷数守恒,故A对;聚变是放能反响,故D对;因为聚变反响放出大量的能量,因此核反响生成物的质量将小于参加反响物质的质量,即质量有亏损,故B错;因为较小的核合并成较大的核,核子的结合能都会增加,故C错。
7.(2022·山东高考)恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反响,当温度到达108K时,可以发生“氦燃烧〞。
(1)完成“氦燃烧〞的核反响方程He+______ Be+γ。
(2Be是一种不稳定的粒子,其半衰期为2.6×10-16s。一定质量的Be,经7.8×10-16s后所剩Be占开始时的________。
【解题指南】解答此题时应从以下两点进行分析:
(1)核反响方程与电荷守恒定律;
(2)半衰期及剩余质量的计算方法。
【解析】(1)根据核反响方程和电荷守恒定律可知HeHeBe+γ。
(2Be的半衰期为2.6×10-16s,经过7.8×10-16s后,也就是经过3个半衰期后剩余的质量为
m′=()nm=()3m,
所剩Be占开始时的。
答案:(1He　(2)或12.5%
8.(2022·辽师大附中高二检测)某科学家提出年轻热星体中核聚变的一种理论,其中的两个核反响方程为HCN+Q1HNC+X+Q2,方程中Q1、Q2表示释放的能量,相关的原子核质量见下表:
原子核
H
He
He
C
N
N
质量/u
1.007 8
3.016 0
4.002 6
12.000 0
13.005 7
15.000 1
那么X是__________,Q2__________(选填“大于〞“等于〞或“小于〞)Q1。
【解析】据核反响过程中反响前后质量数和电荷数守恒,有X为He;据ΔE=Δmc2,Δm为质量亏损,c为光速,经过计算Δm1=0.002 1u,Δm2=0.005 3u,那么可以知道Q2>Q1。
答案: 　大于
9.一个质子和两个中子聚变为一个氚核,质子质量mH=1.007 3 u,中子质量mn=1.008 7 u,氚核质量m=3.018 0 u。
(1)写出聚变方程;
(2)释放出的核能多大?
(3)平均每个核子释放的能量是多少?
【解析】(1)聚变方程为H+nH
(2)质量亏损
Δm=mH+2mn-m=(1.007 3+2×1.008 7-3.018 0)u=0.006 7 u
释放的核能
ΔE=Δmc2=0.006 7×931.5 MeV≈6.24 MeV。
(3)平均每个核子放出的能量为
MeV=2.08 MeV。
答案:(1H+nH　2)6.24 MeV
(3)2.08 MeV
1.(多项选择)据新华社报道,由我国自行设计、研制的世界第一套全超导核聚变实验装置(又称“人造太阳〞)已完成了首次工程调试。以下关于“人造太阳〞的说法正确的选项是　(　　)
A.“人造太阳〞的核反响方程是HHHen
B.“人造太阳〞的核反响方程是n→Kr+n
C.“人造太阳〞释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2
D.“人造太阳〞核能大小的计算公式是E=mc2
【解析】选A、C。“人造太阳〞发生的是氢核聚变,所以核反响方程式为HHHen,而B选项中的核反响是核裂变,故A正确,B错误;“人造太阳〞释放的能量大小的计算公式是ΔE=Δmc2,而核能大小的计算公式为E=mc2,应选项C正确,D错误。
2.(多项选择)我国自行研制了可控热核反响装置“超导托卡马克〞。设可控热核反响前氘核的质量为m1,氚核的质量为m2,反响后氦核的质量为m3,中子的质量为m4。光速为c。以下说法正确的选项是　(　　)
A.这种装置中发生的反响方程式是HHHen
B.由核反响过程质量守恒可知m1+m2=m3+m4
C.核反响释放的能量为(m1+m2-m3-m4)c2
D.这种装置与我国大亚湾核电站所使用的核装置的核反响原理是相同的
【解析】选A、C。由核反响的反响物、生成物及电荷数和质量数守恒可知A正确;质量数守恒不是质量守恒,这一核聚变反响过程要释放大量的能量,有质量亏损,B错误;由质能方程知C正确;大亚湾核电站所使用的核装置是利用核的裂变反响原理,D错。
3.K-介子衰变的方程为:K-π-+π0,其中K-介子和π-介子带负的根本电荷,π0介子不带电。一个K-介子沿垂直于磁场的方向射入匀强磁场中,其轨迹为圆弧AP,衰变后产生的π-介子的轨迹为圆弧PB,两轨迹在P点相切如下图,它们的半径与之比为2∶1,π0介子的轨迹未画出,由此可知π-的动量大小与π0的动量大小之比为　(　　)
A.1∶1　　　　　　　　　B.1∶2
C.1∶3 D.1∶6
【解析】选C。由带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动规律知:
轨道半径R==∝p
所以==
即=
又由动量守恒定律=-
得=+=
所以=
4.两个氘核聚变产生一个中子和氦核(氦的同位素)。氘核的质量mD=2.01360u,氦核的质量mHe=3.0150u,中子的质量mn=1.0087u。
(1)写出聚变方程并计算两个氘核聚变释放的核能。
(2)假设反响前两个氘核的动能均为0.35MeV。它们正面对撞发生聚变,且反响后释放的核能全部转化为动能,那么产生的氦核和中子的动能各为多大?
【解析】(1)聚变的核反响方程:HHen,
核反响过程中的质量亏损为
Δm=2mD-(mHe+mn)=0.0035u
释放的核能为ΔE=Δmc2=0.0035uc2=3.26MeV
(2)对撞过程动量守恒,由于反响前两氘核动能相同,其动量等值反向,因此反响前后系统的动量为0,即
0=mHevHe+mnvn,
反响前后总能量守恒,得
mHe+mn=ΔE+2EkD。
解得EkHe=0.99MeV,Ekn=2.97MeV。
答案:(1)HHen　3.26MeV
(2)0.99MeV　2.97MeV
【总结提升】三种方法求聚变反响中的质量亏损
在核聚变反响中,释放出核能,聚变后的总质量小于聚变前的总质量,即发生了质量的亏损。在计算质量亏损时往往有以下几种情况:
(1)最简单的是聚变前后各粒子的质量,那么质量亏损=反响前总质量-反响后总质量
(2)复杂一些的是聚变反响释放的核能,那么可根据质能方程求出聚变反响的质量亏损。
(3)最复杂的是不告诉聚变释放的核能而仅告诉聚变前各粒子的速度。这时我们可以先利用动量守恒求出反响后粒子的速度,再根据速度求出聚变反响前后的总动能,然后用反响后总动能减去反响前总动能求出聚变反响释放的核能,最后由质能方程求出质量亏损。
5.有一种聚变反响是四个氢核聚变成一个氦核,同时放出两个正电子。求:
(1)该聚变反响释放多少能量?
(2)假设1 g氢完全聚变,能释放多少能量?
(3)1 g氢完全聚变,释放的能量相当于多少煤完全燃烧放出的热能?(煤的燃烧值q=3.36×107J/kg,氢核质量为1.008 142 u,氦核质量为4.001 509 u,电子的质量为0.000 549 u)
【解析】(1)核反响方程为:
HHe+e,
所以Δm=4mH-mHe-2me=4×1.008 142 u-4.001 509 u-2×0.000 549 u
=0.029 961 u
ΔE=Δmc2=0.029 961uc2=0.029 961×931.5 MeV=27.91 MeV=4.47×10-12J
(2)1 g氢完全聚变释放的能量为
E=×6.02×1023×4.47×10-12J=6.73×1011J
(3)相当于煤完全燃烧的质量为
m=kg=2.00×104kg
答案:(1)4.47×10-12J　(2)6.73×1011J
(3)2.00×104kg